測量WiMAX信道功率的有效方案

現(xiàn)在，無線設(shè)計(jì)人員面臨著設(shè)計(jì)世界一流產(chǎn)品的艱巨任務(wù)。很多無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了功率的技術(shù)指標(biāo)，但卻忽視了功率測量的具體步驟，因此設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行測量時(shí)往往會發(fā)生錯(cuò)誤。由于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)使用的OFDM射頻波形本身就非常復(fù)雜，所以他們在測量移動(dòng)WiMAX信號時(shí)出錯(cuò)的情況更多。

本文介紹了有關(guān)WiMAX信道功率測量的重要信息，這些基本原則對于三種主要的WiMAX功率測量都適用：發(fā)射功率測量、相鄰信道功率測量和頻譜輻射合格/不合格測試。

信道功率測量的基礎(chǔ)知識

某些頻率分析儀具有通用測量模式，這種模式?jīng)]有具體規(guī)定它們所支持的無線標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計(jì)人員可完全控制和靈活調(diào)整測量設(shè)置。

圖1為傳統(tǒng)模擬頻譜分析儀的方框圖。在現(xiàn)代頻譜分析儀中，本地振蕩器之后執(zhí)行的大部分信號調(diào)節(jié)和濾波功能都是使用數(shù)字信號處理來實(shí)現(xiàn)的，而它們的特性和行為與使用模擬方式處理的結(jié)果相當(dāng)。因此要進(jìn)行精確測量，設(shè)計(jì)人員必須正確設(shè)置和修改測量參數(shù)。

圖1 傳統(tǒng)模擬頻譜分析儀的方框圖

顯示檢波器

圖1中包括包絡(luò)檢波器和顯示檢波器(檢波器模式)。包絡(luò)檢波器的特性是由頻譜分析儀自身的設(shè)計(jì)決定的，用戶無法更改這些特性，本文不再討論。

為了容納更多的測量和應(yīng)用軟件，現(xiàn)代頻譜分析儀提供多種顯示檢波類型。某些檢波器可為不同類型的信號提供更優(yōu)化的結(jié)果。例如，峰值檢波器能夠從一組采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)中檢測出最大電平，從而為連續(xù)波(CW)測量提供最佳選擇。稍后，這個(gè)最大電平會作為跡線點(diǎn)在頻譜分析儀上顯示。平均值檢波器則與峰值檢波器不同，它能夠檢測出采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均電平，并將其作為跡線點(diǎn)顯示。

圖2 顯示的跡線點(diǎn)分別來自于正峰值檢波器、平均值檢波器和負(fù)峰值檢波器

顯示的跡線點(diǎn)通常稱為“bucket”。頻譜分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣的時(shí)間稱為“bucket間隔”。圖2顯示了選擇不同檢波類型會對給定bucket的顯示跡線點(diǎn)產(chǎn)生什么影響。

圖3 從上到下顯示的依次是WiMAX猝發(fā)脈沖的正峰值檢波、平均值檢波和負(fù)峰值檢波跡線。

注意：為了顯示跡線的區(qū)別，這里將分辨率帶寬設(shè)置為3 MHz

對于噪聲信號或近似于噪聲的信號(如許多數(shù)字調(diào)制信號)來說，使用平均值檢波器可獲得平均功率數(shù)據(jù)的最佳結(jié)果，顯示的跡線點(diǎn)是采樣數(shù)據(jù)的平均值。圖3顯示了使用不同類型檢波器處理WiMAX信號所獲得的不同跡線顯示。

分辨率帶寬

功率測量通常是指某一帶寬內(nèi)的測量。同樣，頻譜分析儀上顯示的跡線點(diǎn)也要通過分辨率帶寬(RBW)濾波器進(jìn)行解讀。對于連續(xù)波信號來說，降低RBW會得到更好的信噪比，因而使測量結(jié)果看上去更平滑。對于近似于噪聲的信號來說，擴(kuò)大RBW可以在平均檢波bucket中獲得更平均的值，也可使用窄視頻帶寬(VBW)濾波器獲得更平滑的測量結(jié)果。使用更窄RBW的缺點(diǎn)是花費(fèi)的測量時(shí)間更長。

在進(jìn)行信道功率測量時(shí)，頻譜分析儀用戶應(yīng)根據(jù)其無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置RBW。例如，某個(gè)給定標(biāo)準(zhǔn)的專用頻譜輻射(SEM)測試文檔通常包括測量所需要的RBW設(shè)置。取決于信號的頻率范圍，在整個(gè)測量掃寬內(nèi)，SEM測試的RBW設(shè)置還可能會隨著頻率的變化而變化。如果未指定RBW，建議用戶最好為其信號表征設(shè)置RBW。對于窄帶寬(CW)信號來說，最好使用窄RBW濾波器；對于近似于噪聲的信號(例如WiMAX信號)來說，通常最好使用較寬的RBW。

平均值技術(shù)

現(xiàn)代頻譜分析儀使用多種方法來求取信號的平均值，使信號變得更加平滑。采樣最終在頻譜分析儀上顯示為跡線點(diǎn)的方式在很大程度上取決于平均值技術(shù)，主要涉及的參數(shù)有掃描時(shí)間、視頻帶寬等。

掃描時(shí)間

現(xiàn)代頻譜分析儀通常每秒可進(jìn)行數(shù)百萬次采樣。假設(shè)選擇平均值檢波，如果增加掃描次數(shù)，那么在顯示跡線點(diǎn)之前的一段時(shí)間(bucket)內(nèi)取平均值的數(shù)據(jù)采樣數(shù)量會隨之增加。采樣量越大，所顯示的平均點(diǎn)就越趨向于一致，最終顯示的跡線就越平滑。

視頻帶寬

頻譜分析儀中的VBW濾波器可以減小測量電平的差異，并且在掃描次數(shù)增加時(shí)仍保持相同的作用。傳統(tǒng)頻譜分析儀和許多現(xiàn)代化頻譜分析儀都是在顯示標(biāo)度的級別上執(zhí)行VBW過濾，因此可能會造成功率測量問題。

頻譜分析儀的測量結(jié)果既能用對數(shù)(dB)表示，也能用線性度(電壓線性度)表示。因?yàn)閂BW濾波是一種求取平均值的過程，在這些級別上進(jìn)行任何平均值計(jì)算，都有可能出現(xiàn)誤差。例如，在噪聲或近似于噪聲信號的對數(shù)平均值計(jì)算中可能發(fā)生-2.51 dB的誤差。

因此在進(jìn)行功率測量時(shí)，最好在功率標(biāo)度上使用VBW濾波器。某些現(xiàn)代化分析儀例如Agilent PSA頻譜分析儀和X系列信號分析儀，可在功率標(biāo)度上使用其VBW濾波器，從而避免了這些實(shí)質(zhì)性的誤差。即便如此，平均值檢波器依然是使結(jié)果變得平滑的一個(gè)出色工具，并且可在所有配備VBW檢波器的分析儀中使用。

WiMAX信道功率測量設(shè)置

對于WiMAX信號這樣的正交頻分復(fù)用(OFDM)信號而言，要想進(jìn)行正確的測量設(shè)置還有一些其他的要求。例如，WiMAX中使用的時(shí)分復(fù)用(TDD)信號在時(shí)域中具有猝發(fā)性質(zhì)。即使在射頻猝發(fā)脈沖或子幀期間，功率也會發(fā)生改變。由于這些信號具有非連續(xù)性，頻譜分析儀很難捕捉到完整的信號。

支持現(xiàn)代頻譜分析儀進(jìn)行自觸發(fā)測量的常用觸發(fā)源包括：被測件提供的外部觸發(fā)信號、其他同步信號源或信號的射頻猝發(fā)幅度電平。通常，能與射頻猝發(fā)保持良好同步的外部觸發(fā)源是最佳的觸發(fā)機(jī)制。因?yàn)樗転閮x器采集數(shù)據(jù)提供最穩(wěn)定的觸發(fā)，支持可靠和可重復(fù)的測量。

對于被測基站生成的WiMAX下行鏈路信號來說，基站自身就可以提供適合的觸發(fā)信號。在進(jìn)行元件分析時(shí)，生成激勵(lì)波形的信號發(fā)生器可以為頻譜分析儀提供一個(gè)可用的觸發(fā)信號。在沒有可用的外部觸發(fā)源時(shí)，最好使用實(shí)際射頻猝發(fā)幅度電平的上升沿來觸發(fā)分析儀。依據(jù)各分析儀平臺使用的體系結(jié)構(gòu)，使用這種方式觸發(fā)測量的順序可能不同。
一旦實(shí)現(xiàn)可靠的觸發(fā)，接下來考慮的便是應(yīng)從哪個(gè)感興趣的時(shí)間區(qū)域開始信道功率測量。顯然，測量應(yīng)該在信號實(shí)際有效時(shí)進(jìn)行。但在某些情況下，還要(甚至必須)在射頻猝發(fā)脈沖或子幀的“有效”部分中的特定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行測量。因此，正確選通感興趣的猝發(fā)脈沖區(qū)域很關(guān)鍵。

圖4 圖中的信道功率測量使用WiMAX下行鏈路猝發(fā)脈沖進(jìn)行選通。

圖4顯示了在第二個(gè)射頻猝發(fā)脈沖期間發(fā)生的WiMAX信號的選通區(qū)域。盡管第一個(gè)猝發(fā)脈沖引起觸發(fā)，但我們建議在第二個(gè)猝發(fā)脈沖期間進(jìn)行選通。這可以確保從選通區(qū)域內(nèi)去除分析儀生成的任何掃描LO瞬時(shí)穩(wěn)定時(shí)間。

圖5 圖中的信道功率測量僅顯示了前導(dǎo)碼的選通

有了穩(wěn)定的觸發(fā)，頻譜分析儀就可以啟動(dòng)掃描測量；如果是測量TDD無線信號，那么還必須選通出精確的目標(biāo)區(qū)域。例如，某些設(shè)計(jì)人員可能只對WiMAX信號的前導(dǎo)碼功率電平或某個(gè)特定區(qū)域感興趣。圖5顯示了WiMAX信號的選通前導(dǎo)碼測量。這種測量通常稱為WiMAX接收信號強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)。在該圖中，前導(dǎo)碼的選通只會使選通參數(shù)發(fā)生變化，是保證精確測量所必需的。

不同的分析儀平臺

目前市場上已有幾種頻譜分析儀可對WiMAX信號進(jìn)行信道功率測量。Agilent PSA和X系列分析儀平臺只是其中之一。盡管修改這些儀器上的各種參數(shù)對獲得精確的信道功率測量結(jié)果至關(guān)重要，但設(shè)計(jì)人員選擇最佳測量方案同樣重要。

以PSA頻譜分析儀和X系列信號分析儀平臺為例。使用外部觸發(fā)，可以非常簡單地在頻譜或信號分析儀平臺上進(jìn)行精確的信道功率測量。然而，要使用射頻猝發(fā)脈沖觸發(fā)測量，采用以下測量技術(shù)非常有幫助：

頻譜分析儀平臺

對于GSM波形，在進(jìn)行連續(xù)測量時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以利用分析儀的相關(guān)觸發(fā)特性來改變設(shè)備的輸入信號電平，而不必重新設(shè)置頻譜分析儀的觸發(fā)電平。

另一項(xiàng)重要技術(shù)是射頻猝發(fā)脈沖觸發(fā)設(shè)計(jì)，它可以使用相對于檢波信號峰值包絡(luò)低22dB的內(nèi)嵌電平進(jìn)行觸發(fā)。這項(xiàng)技術(shù)對測量GSM元器件至關(guān)重要，但不適用于某些現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)，如OFDM。對于OFDM技術(shù)，這些信號中的較高峰均比可能導(dǎo)致實(shí)施分析儀上的相對觸發(fā)實(shí)施發(fā)生錯(cuò)誤觸發(fā)。

圖6 PSA與Agilent 85902A猝發(fā)載波觸發(fā)(BCT)集成的外部配置

在沒有外部觸發(fā)源的情況下，可使用外部猝發(fā)載波觸發(fā)附件進(jìn)行可靠的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對WiMAX信號的穩(wěn)定測量。圖6顯示了PSA頻譜分析儀與Agilent 85092A猝發(fā)載波觸發(fā)(BCT)的集成。在對穩(wěn)定的射頻猝發(fā)脈沖流進(jìn)行檢波時(shí)，BCT會對要分析的射頻輸入信號進(jìn)行采樣，并提供與猝發(fā)脈沖同步的TTL輸出信號以及一個(gè)LED狀態(tài)指標(biāo)。集成后的儀器可以提供需要的穩(wěn)定觸發(fā)信號，使設(shè)計(jì)人員可以如前所述設(shè)置選通參數(shù)，從而進(jìn)行精確的信道功率測量。

信號分析儀

信號分析儀通常使用外部提供或由內(nèi)部射頻猝發(fā)載波觸發(fā)單元提供的觸發(fā)源。某些儀器還具有穩(wěn)定的自觸發(fā)能力，適用于沒有外部觸發(fā)可用的情況。它們無需使用外部猝發(fā)觸發(fā)附件來提供最常見的無線通信信號(包括WiMAX)。X系列分析儀上的射頻猝發(fā)載波觸發(fā)功能就是自觸發(fā)能力的主要實(shí)例，包括絕對射頻猝發(fā)幅度電平、周期定時(shí)器和觸發(fā)釋抑功能。
使用絕對射頻猝發(fā)幅度電平進(jìn)行觸發(fā)，可以解決上一代頻譜分析儀在測量高峰均功率比(PAPR)的OFDM信號時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤觸發(fā)問題。當(dāng)頻譜分析儀檢測到絕對射頻猝發(fā)電平組超過固定閾值電平時(shí)，將會啟動(dòng)“初始”觸發(fā)機(jī)制。

周期定時(shí)器可設(shè)置一個(gè)指定時(shí)間長度(用戶可調(diào)整)的自動(dòng)重觸發(fā)進(jìn)程。該進(jìn)程能夠在觸發(fā)建立后執(zhí)行再同步。用戶可以選擇這個(gè)初始同步源。將該參數(shù)設(shè)置成等于幀周期有很大好處，這將保證測量是在每個(gè)幀邊界進(jìn)行再觸發(fā)，而不用考慮外部環(huán)境或儀器的改變。

圖7 由于關(guān)閉了同步釋抑，無論選通參數(shù)是什么，不穩(wěn)定的觸發(fā)都會導(dǎo)致信道功率測量不夠精確

同步釋抑特性可改善觸發(fā)精度，避免儀器在猝發(fā)脈沖的無效部分開始進(jìn)行測量。通過使用可靠的觸發(fā)電平，在射頻猝發(fā)脈沖內(nèi)的一個(gè)穩(wěn)定和可重復(fù)的測量點(diǎn)進(jìn)行測量，設(shè)計(jì)人員可以精確地重復(fù)進(jìn)行信道功率測量。圖7顯示了不使用同步釋抑時(shí)可能出現(xiàn)的情況。

總結(jié)

精確的信道功率測量是無線設(shè)備測試的一個(gè)重要方面。隨著無線技術(shù)變得日益復(fù)雜，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到上市的周期越來越短，按照規(guī)定的測量步驟和最佳測量方法進(jìn)行測量的重要性也與日俱增。這些步驟和方法能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供一個(gè)節(jié)省時(shí)間的可行方案，同時(shí)還能確保信道功率測量和其他相關(guān)測量的一致性和可重復(fù)性。
在測量OFDM信號(例如WiMAX)時(shí)，穩(wěn)定的觸發(fā)和精確的選通參數(shù)設(shè)置同樣至關(guān)重要。適合的測量解決方案，例如Agilent PSA或X系列分析儀，能夠保證設(shè)計(jì)人員快速、輕松地進(jìn)行精確的信道功率測量。